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前段时间，在电影《流浪地球2》中，太空电梯这一重要建筑物引发了许多观众的好奇。从概念提出至今，太空电梯一直都是硬科幻作品中常见的话题。全世界的科学家正在太空电梯的相关领域进行探索。缆绳作为太空电梯的关键技术和设备，涉及的碳纳米管等材料学技术也在飞速发展中，让太空电梯有望从梦想变成现实。

｜太空电梯是什么？

顾名思义，太空电梯是一座巨大的电梯，其底端位于地表，顶端则位于高度约Km同步轨道（也被称为地球静止轨道）。

简单地讲，太空电梯是一种物美价廉的太空运输系统。

在目前，人类主要依赖的太空运输方式是化学燃料火箭，每次发射都要消耗数百吨的液体燃料来把数十吨物资送入太空。这一方式是目前最简单有效的方案，但也意味着极其昂贵的成本。虽然可回收火箭等新技术在不断降低太空发射的成本，但在目前，向近地轨道运送物资的成本依然超过一千美元每公斤。

利用太空电梯运输则廉价得多，由于太空电梯可以凭借系缆以慢得多的方式向太空前进，而不需要像火箭一样有极高的推重比，同时，太空电梯的轿厢是可以完全回收的。

在电影《流浪地球2》中，太空电梯的轿厢使用了类似于火箭的推进方式，并在推进过程中达到了9g的加速度。而在现实中，太空电梯的轿厢可以用更加“温和”的推进方式，例如单纯的使用轮子在轨道系缆上“攀爬”。

｜建造原理其实并不复杂

其实，太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。

具体来说，太空电梯主要由4个部件组成：基座、缆绳、电梯吊箱和动力系统。

基座是太空电梯在地面上的基础结构。基座必须选在地球赤道地区，可以建在陆地上，如高山顶或高塔尖上；也能建在海上，像一个巨大的港口，世界各地的旅客和物资来到这里，然后通过太空电梯前往太空。

缆绳是太空电梯的关键技术和设备。制造缆绳的材料必须有很高的拉伸强度，可大规模生产，还需造价低廉、质量很小。

电梯吊箱是载人和运货的部件，其功能跟传统电梯一样，但原理和结构不同。电梯吊箱虽然也是沿着缆绳向上爬，但从天上垂下一根超长的缆绳来将它吊上去是不太可能的，它得自己想办法爬上去。最简单的方法是给电梯吊箱装上马达，带动夹着缆绳的一组轮子转动，从而取得向上的拉动力。马达的电源可以来自缆绳，也可以来自装在电梯吊箱上的发电机，但这两种方式都会增加电梯吊箱的重量。比较减轻重量的方法是在电梯吊箱安装光电转换装置，然后从地面发射激光到光电转换装置上，最后用电将其“射”上去。

｜核心问题是缆绳材料

不过，即使太空电梯的构想已经成型，选择材料还是一件困难的工作。年，日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管，给陷入瓶颈的太空电梯设想带来了新的希望，许多研究团队都重新拾起了太空电梯计划。

科学原理上一点都不复杂，但工程难度却恐怖到令人望而生畏，有无数工程难题需要解决，其中最难最难的是那根至少长达3.6万千米的缆绳。

而要成为太空电梯的缆绳，根据计算，它的强度应当介于万到万尤里之间。凯夫拉的强度至少还差了10多倍。

碳纳米管是由碳原子组成的管状结构纳米材料，是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳，碳纳米管的抗拉强度至少要达到90GPa。而实际上，我们在实验中合成的碳纳米管的抗拉强度可以达到GPa。而从理论计算角度上，对于具有理想结构的单壁碳纳米管而言，其抗拉强度可以达到GPa。

然而，当时由于制备工艺的限制，实际能够制备出的碳纳米管长度只有几毫米，且存在大量结构缺陷。年，清华大学魏飞教授团队将催化剂活性提高到99.5%以上后，成功制备出单根长度超过半米且具有完美结构的碳纳米管。目前，他们正在研制长度在千米级以上的碳纳米管。可以说，从材料学角度上，太空电梯已经具有了初步实现的可能。

当然，在现有科学技术水平下，即使碳纳米管技术正在飞速发展，太空电梯距离实际应用也还很遥远。在地球上，我们需要考虑材料的耐候问题和磨损问题，尤其是高层大气的磨损问题;在太空，我们又要考虑人造卫星轨道、宇宙辐射，甚至月球和附近其他行星引力、科里奥利力、小行星撞击等问题。这些研究至今都是空白。可以说，太空电梯仍然是人类探索宇宙的一个美好愿景。

｜碳纳米管未来用处多

尽管太空电梯在近几十年里完成的可能性不大，但碳纳米管作为一种性能优异的潜在材料，受到科学家们广泛的重视和研究。

碳纳米管在诸多领域都有优异的性能。若以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，将给复合材料的性能带来极大的改善。此外，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管因而被称“超级纤维”。

电学性能方面，由于结构与石墨的片层结构相同，碳纳米管具有很好的电学性能。理论预测中，当碳纳米管管径小于6纳米时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。在特定方向上，碳纳米管的电导率通常可达铜的1万倍。

热学性能方面，碳纳米管在特定方向具有良好的传热性能，可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，就能大幅提高复合材料的热导率。

目前，碳纳米管已应用于制作滑雪板、冰球杆、冲浪板等体育器材，采用碳纳米管的高性能胶带也已经上市。一些初创企业和实验室已经利用碳纳米管进行了微细加工尝试，用于外科医学领域。波音公司也已申请使用碳纳米管对飞机结构中使用的复合材料进行结构健康监测。碳纳米管的其他潜在应用包括储能、超级电容器、场发射晶体管、高性能催化和生物医学设备等。

也许在不久的将来，我们真的可以像科幻电影中那样，不必受制于时间天气，不用经过严苛的训练，便可以乘坐太空电梯往返地面和深空。我们期待着这一天能够更早到来。